Transcript 李秀荣高能所: LHAASO水切伦科夫缪子探测器研究

LHAASO水切伦科夫缪子探测器研究
李秀荣
中科院高能物理研究所粒子天体中心
第九届中国高能物理大会（武汉）
LHAASO与MD
LHAASO：1平方公里阵列的复合型高海
拔宇宙线观测站，核心目标是探索高能
宇宙线起源以及宇宙和高能天体演化机
制，进行新物理前沿的研究
LHAASO-KM2A（一平方公里电磁粒子探测
器与缪子探测器阵列） 物理目标 为超高能
宇宙线起源和宇宙线物理研究；要求覆盖
能段20TeV-100PeV，50TeV-100TeV处对伽玛
光源巡天灵敏度小于1%蟹状星云，100TeV
能段1年能收集到10个光子水平
LHAASO-KM2A-MD作用： 通过缪子数扣除宇
宙线本底，得到干净的高能gamma事例，研
究宇宙线起源与加速机制；宇宙线能谱和结
构分析
MD主要指标要求：
时间分辨<10ns
1-10000个粒子动态范围
对缪子有85%以上的探测效率，对99%的纯度
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MD探测器的优化
探测器面积优化：模拟得到不同探
测器面积和间距时的阵列探测器灵
敏度，平衡灵敏度与探测器造假
优化后的缪子探测器阵列：
1平方公里面积上分布1221个圆柱形
水切伦科夫探测器，每个间距
30m，覆盖面积43956 平方米
将探测器直径设为6.8米，模拟不同高度时
水切伦科夫探测器的响应，得到探测器高度达到
1米时信号趋于稳定
优化后的单元缪子探测器：直径6.8m，高
1.2m的水切伦科夫探测器，探测器顶部放置
一个向下的8英寸球形光电倍增管，内壁为高
反射的Tyvek材料，里面充满超纯水
MD探测器水袋制作与单元探测器样机(高能所)
8米
羊八井第一台LHAASO-MD探测器样机实验
实验目的是验证实验方案在4300米海拔的可行性与稳
定性，包括检验探测器水质保持以及抗冻能力、本底
排除能力以及数据分析和模拟对探测器响应的重建精
度计算能力
实验中遇到的问题与解决方案：
1. PMT受磁场干扰—Hamamatsu PMT
2. 安装时温度太低—加土工膜
3. 正高压PMT信号过冲与振铃—修正
MD波形与FEE电子学数据
IHEP：Hamamatsu
YBJ：EMI
YBJ：Hamamatsu
MD单元探测器样机数据分析
研究PMT base设计，找出信号产生过充与振铃的原因，对示波器波形进行修正
time (ns)
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修正电子学机箱电荷，得到示波器数据与机箱数据的一致性
从缪子波形尾巴提取出单光电子波形，监测单光电子电荷以及PMT增益。
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得到单缪事例产生的光电子数大于20个，对入射位置依赖小于30%，证明了样机的可行性。
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单元探测器样机的Geant4 模拟
模拟得到PMT光电子数
模拟得到PMT光电子时间分布
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得到模拟和数据波形与光电子数的基本一致性
 单光电子：从缪事例波形尾巴提取，得到单光电子平均分辨和平均幅值
 PMT渡越时间分辨：根据PMT官方参数以及一些测量结果
 反射率和衰减长度： 用不同参数模拟，循环用不同参数比较六个位置入
射的 缪子数据 与模拟的波形，直到不同位置的信号模拟都基本符合
MD样机数据与模拟波形的比较
从波形尾巴提取单光电子
1m2m
2m2m
Tyvek反射光学模型测量
Tyvek 反射模型
在平面内不同角度测量漫反射和弥散镜面反射的比例
并做相应的模拟
拟合实验测量结果得到光纤平面上弥散镜面
反射的分辨（10度）和比例（约25%）
结合模拟得到整个空间上弥散镜面反射的分辨为
约10度，比例约占12%。即漫反射的比例大于85%
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反射率与衰减长度的同时测量
PMT光子数变化：
N0  e
x

λ
 f
x
L
x
L
 (1  r)  r
新方案：测量不同水深时光的有效衰减长度，
结合模拟得到的反射步长，同时拟合出反射率和衰减长度
N0  e
x

λm
 N0  e
x

λ
 f
x
L
1
ln(f)
λm  1/( 
)
λ
L
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光在水中衰减长度和Tyvek在水中反射率的同时测量
实验方案：
• 1m 直径1m高 tank，Tyvek
材料， 1.5inch PMT, LED
• 空气中Tyvek反射率测量
• 不同水位高度时测量探测
器有效衰减长度，同时拟
合出反射率与衰减长度
实验结果：
用新方法测得空气中Tyvek反射率，符合已知结果
蓝光在水中衰减长度与Tyvek在水中反射率同时测量
Next：提高实验精度，测量不同波长不同水质的结果
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光电倍增管阳极与打拿级同时读出 （ED组）
设计并实现满足实验要求的PMT打拿级与阳极同时读出）
通过真实数据和模拟估算
10000个缪子入射时信号大小
红色： DL=30m
黑色： DL=50m
阳极与打拿级有overlap
实现测量单光电子到10000多个缪子的动态范围
MD波形采样电子学板（实验中心电子学组设计）
电子学板接收PMT信号，
进行AD采样，在FPGA组装
打包后通过光纤发送给PC
电子学噪音小，满足测量单光电子要求
阳极波形采样电子学板已经过实验测试
打拿级电子学信号读出已设计完成
电子学波形与示波器波形的区别
电子学Pedestal分布。分辨小
MD定型样机实验
•
•
•
•
•
在羊八井采用地下深两米
PMT负高压供电，阳极与打拿级同时读出base
电子学取数系统改成电荷采集+波形取数
电子学时钟采用LHAASO大阵列时钟系统
与40块ED联合取数，用ED探测器触发
用于检验MD定型样机以及电子学
和时钟系统的工作性能， 并通过
定型阵列研究/p鉴别能力和对宇
宙线重建能力等
总结
• 在高能所和羊八井分别做了一个MD样机实
验，单元探测器样机的模拟和数据分析基本一
致
• 得到并初步验证了同时测量水衰减长度和
Tyvek反射率的方法
• 改进了PMT以及电子学取数系统，将在羊八井
做一台新的MD定型样机，并与ED联合取数
• 下一步进行探测器和阵列的细节优化以及阵列
的数据分析和模拟以及/p鉴别和原初宇宙线
重建等方法研究